西南交大隧道设计第二次作业——水下隧道衬砌结构上水压力分布模式.doc

隧道运营及灾害控制课程作业隧道与地下工程设计方法课程作业2-水下隧道衬砌结构上水压力分布模式姓 名： * 学 号： * 学 院： 土木工程学院 专 业： 桥梁与隧道工程 任课教师： 曾艳华、张俊儒教授 二一五年五月二十九日11隧道与地下工程设计方法第二次课程作业目 录1引言22衬砌水压力估算方法32.1折减系数法32.2解析法42.3数值计算法53渗透问题的复杂性以及工程实用简化处理63.1岩体渗透特性的连续性假定63.2地下水作用的两种计算模型63.3“荷载-结构物”模型和衬砌水压力74衬砌外水压力的修正系数574.1初始渗流场水压力84.2隧道建成后作用于衬砌外水压力84.3防渗排水措施对衬砌外水压力的影响95当岩石透水性十分微弱时衬砌的外水压力96减小衬砌外水压力的有效措施10参考文献11水下隧道衬砌结构上水压力分布模式1 引言目前各国设计规范对于隧道衬砌外水压力的规定不尽相同，日本土木学会修订出版的土木工程手册一隧道分册明确了水压力为各类随道结构承受的重要荷载。美国隧道工程手册认为，如果衬砲需要抵抗水压力，水压力的大小将决定整个设计，如采用复合式衬砲，假定在防水层外侧存在静水压力，内层衬砲需要抵抗此静水压力。前苏联的公路險道设计规范也将衬砲外水压力作为设计的永久荷载。我国铁路隧道设计规范（TB 1003一2005规定：“隧道防排水应采取防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，地下水若是采取以排为主的方式，确定衬砌荷载条件时可不考虑水压力。公路隧道设计规范（JTGD70一2004） ）规定的防排水原则基本上和铁路隧道设计规范相同，对地下水以疏导为主，设计荷载不考虑水压力。当隧道位于地下水位以下时，应采用抗水压衬砌，但对于水压力的计算方法并未做出说明。地铁设计规范（GB50157一2003）规定地下水处理应遵循“以防为主、刚柔结合，多道防线，因地制宜，综合治理”的原则。根据施工阶段和长期运营阶段地下水位的变化，区分不同的地质条件，按照静水压力计算，或者把水压力作为土压力的一部分计算。水工隧洞设讨一规范（SL279一2002）规定设计荷载应考虑地下水对隧道结构的作用，衬砌外水压力有条件时可通过渗流分析确定，对于一般地段和简单工程可采用静水压力乘以折减系数的方法解决。设计规范的进步与工程技术进步密不可分，在早期隧道施工中并没有充分认识到水的危害，对地下水采取“以排为主”的处理原则，因此在设计中不考虑水压力。后来有很多“以排为主”的隧道对环境造成了很大的破坏，也有很多隧道由于对水压力考虑出现了严重病害，各国的规范逐渐对衬砌外水压力予以重视，要求在设计中考虑水压力。但是对于衬砌外水压力如何取值没有予以明确，仅有几种估算方法。折减系数法，用静水压力乘以折减系数来考虑水压力，日在0.150.9之间变化，澳大利亚、美国有时采用此法；全水头法，取，德国、日本常用；可能最大水头值，最高可能地下水位在地面，据此计算静水压力作为设计水压力，如巴西、加拿大。这三种方法以折减系数法应用较广，另外解析法和数值计算法也有较多的研究成果。从以上分析可以看出，水压力是水下隧道衬砌结构承受的主要荷载，但现行隧道设计规范对水压力计算还不够具体和深入，对于围岩、注浆圈、衬砌和排水系统组成的渗流场，如何确定衬砌外水压力还有待研究。在衬砌结构的设计过程中，荷载一结构模型得到了广泛的应用，但对于水下隧道来说，衬砌水压力的确定是一个难题，因此有必要对海底隧道衬砌水压力进行系统的研究。2 衬砌水压力估算方法2.1 折减系数法折减系数法在水工隧道中应用较多，它以地下水的活动状态即毛洞开挖隧道临空面的状态以及地下水对围岩稳定的影响来确定水压力折减系数刀。铁路和公路隧道在应用折减系数法时容易走向一个误区，认为衬砌内表面是干燥的，在确定水压力时采取比较小的值。事实上如果不给水以出路，无论围岩的渗透系数再小，注浆效果再好，衬砌最终还是要承受全部水压力。在设置防水系统的隧道中，如何应用折减系数法是一个值得商榷的问题。由于防水板的作用，复合式衬砌隧较少出现裂缝，按照规定值应选得大一些。但是在防水板和衬砌之间有排水系统，地下水从排水系统渗出，值又应取得小一些。折减系数法应用于复合式衬砌隧道时计算外水压力时，值的选取还值得研究。为了使折减系数法更加实用，众多学者对其进行了改进，如李定越把折减系数修正为三个修正系数，考虑了防排水措施以及围岩与衬砌渗透系数的比值。原铁道部东北设计院根据围岩渗透系数和衬砌渗透系数的比值估算日值，王建宇也针对衬砌和围岩渗透系数的比值对一衬砌水压力的影响进行了计算。由以上分析可见，折减系数法大多是经验或半经验性的，都考虑了围岩、衬砌的渗透性及隧道防排水体系等影响因素，在水工隧道等工程中得到了较为广泛的应用。但是对于以水压力为主要荷载的高水压隧道和水下隧道来说，这样近似确定水压力的方法还不够，需要做更深入的分析。2.2 解析法解析法具有概念清晰，讨一算简便的优点，其所用的理论大多是以Darcy定律为基础的地下水水力学理论，对边界条件做适当的假定，推导出水压力分布的规律，从而得到衬砌外水压力的理论值。早在1962年Harr就基于镜像法原理求得了隧道围岩孔隙水压力分布，如式（1）： （1）其中：隧道半径；隧道中心距地下水位线垂直距离；隧道中心到计算点的距离隧道与虚拟隧道中心连线顺时针算起的角度。经过实践验证，Harr解在求解高水压隧道中的水压力分布时有较高的精度。张有天等提出了水荷载作用下隧洞静力计算三原则：隧洞的水荷载是作用于包括隧洞和围岩在内的地下水位以下空间的渗透场力；由水荷载引起的隧洞的应力状态决定于水荷载的历史；衬砌与围岩有条件地联合工作，强调应按渗流荷载增量理论分析隧洞应力，这实际是渗流与应力祸合计算模型，计一算过程比较复杂。Bouvard.M假定隧道周围径向流动，提出了渗流计算公式。A.Bobet通过解析模型研究了有水和无水围岩中衬砌应力，并比较了全排水和全封堵情况下衬砌应力，其研究开创了解析法研究不同渗流量下衬砌结构应力的先例。国内方面，王建秀、杨立忠等提出了用解析方法求出隧道渗流量，再据此利用数值计算的方法求得衬砌后水压力的解析一数值方法。皇甫明利用复变函数方法推导了海底隧道注浆圈外水压力的计算公式。对于深埋隧道，其截面半径远小于远场水头，局部排水点可以处理为一个井。王秀英防林良据无限含水层中竖井的理论，推导出了山岭隧道渗流量和衬砌外水压力的解析解，高新强也得到了类似的结论。以上解析解在估算水压力方面起到了很好的作用，但其所做的假定有很多与海底隧道的情况不符，或者偏重于水压力在围岩内的分布，而对于海水、注浆圈、初期支护和二次衬砌的海底隧道渗流场则不太适合1-4。2.3 数值计算法公路隧道设计规范推荐的荷载一结构模型是隧道设计和施工人员常用的一种方法。荷载一结构模型中的结构指衬砌结构，荷载主要指围岩压力，衬砌结构用梁单元模拟，围岩对隧道的约束用单向地基弹簧模拟。对于有水隧道尤其是水压力作为主要荷载的隧道，如果应用荷载一结构模型，必须首先确定衬砌外水压力。衬砌外水压力是通过计算围岩和衬砌组成的渗流场得到的，围岩并不是均质的，中间存在许多裂隙。数学上处理裂隙岩体有以下三种模型：等效连续介质模型，将岩石裂隙的透水性平均到岩石当中去，就得到等效连续介质模型；裂隙网络模型，需搞清每条裂隙的走向和宽度，处理起来非常麻烦；双重介质模型，假定岩体是空隙介质和裂隙介质的叠加。而目前常用的还是等效连续介质模型，岩石的渗透系数和通过现场钻孔试验和室内试验得到。对于没有大的裂隙和断层的隧道，将围岩视作各向同性渗流介质进行渗流分析，即可得到衬砌外水压力分布。Lee和Nam针对汉城地铁5号线穿越汉江水下隧道进行了支护结构承受水压力大小的分析，并综合运用数值分析和模型试验的结果，指出在采用透水垫层持续排水的情况下，支护结构仍然要承受与20%的静水压大小相当的渗水压力。Nam和AntonioBobet对深埋水下隧道的渗流场进行了研究，重点对排水隧道进行了计算。张志强等通过数值计算研究了高水位条件下支护体系的设计参数，谢兴华、盛金昌等根据围岩的水文、地质条件建立模型，采用三维连续介质渗流理论，通过数值计算确定衬砌上的外水压力。高新强、仇文革采用三维有限元数值模型，分析圆梁山隧道衬砌结构的受力特征，结果表明，水压力是衬砌结构的主要荷载之一，应予以足够的重视。潘建明采用等效连续介质模型分析了高水压隧道渗流场的分布，结果表明衬砌后水压力和围岩、注浆圈、衬砌的厚度和渗透系数有密切的关系。在实际的渗流过程中，渗流场和应力场是相互影响的，目前所用的流固祸合模型基本上都是建立在Terzaghi理论基础上。李培超将基于多孔介质的有效应力原理引入流固藕合计算中，建立了完备的饱和多孔介质流固祸合渗流的数学模型。贺少辉、黄涛等学者对裂隙介质流固祸合进行了研究，得出了有益的结论。关于裂隙渗流流固祸合的研究成果很多，目前的研究热点是渗流场和损伤场的祸合，王建秀提出了隧道开挖过程中藕合可以分为变形过程中的藕合和破坏过程中的祸合，其中破坏过程中的祸合可以分为卸荷模式和水力劈裂裂隙模式。吴金刚用流固藕合的方法计算了岩溶隧道的水压力分布，得出了衬砌外水压力分布规律。总体来说由于裂隙介质流固祸合渗流计算所需要的裂隙参数也很难做到符合实际，目一前还正在处于理论研究阶段。3 渗透问题的复杂性以及工程实用简化处理3.1 岩体渗透特性的连续性假定用以描述地下水渗流规律的Darcy定理适用于连续介质。对于透水土体，由于均匀分布的固体颗粒相对较小，可以认为，表征渗流特征的诸物理量（空隙压力、流速、渗透系数等）可视为三维空间中的连续场。而对于大多数的裂隙岩体，地下水主要在裂隙中流动，岩块本身则相对不透水。尽管岩石力学家们已经对岩体裂隙中的渗流现象作过不少细观的研究，但在实际进行渗流计算时仍然将节理、裂隙甚至空洞“均摊”到整个岩体而得到“渗透等效连续介质”。在节理、裂隙有序分布的岩体中，可以考虑渗流特性的方向性。相应于流速向量和水力梯度向量，将渗透系数表达为张量。对于节理、裂隙相对发育的岩体，“渗透等效连续介质”假定可以在很大程度上反映实体岩体的渗透特性。但是，在相对于隧道尺寸而言，裂隙间距和岩石块度较大的裂隙岩体中很难将地下水的渗透作用力以“场力”的形式“均摊”。而对于岩溶管道发育的石灰岩地层，地下水的流动规律是否符合Darcy定理都是很成问题的。3.2 地下水作用的两种计算模型在岩石介质渗透特性的均匀连续介质假定以及Darcy定理的基础上，我们可以“严格地”从渗流理论出发计算地下水对围岩和衬砌的作用。这种计算在张有天同志的文章提出的“水荷载作用下水工隧洞设计三原则中”有明晰的表述。在计算中，“水荷载”表达为均匀分布在围岩和衬砌中的场力（体积力）。实际上，采用这种连续体模型（Continuum mod-el），将围岩和衬砌作为共同作用的整体，直接通过分析隧道开挖所引起的地应力和地下水渗透力对围岩和衬砌结构的联合作用进行围岩稳定性和衬砌的可靠性的评估，无须涉及“衬砌水压力”这一概念。严格地说，在这种计算中还要考虑渗流场和围岩应力场的交互作用。因此，所谓渗透力和地应力的“联合作用”不应该是“叠加”而应该是“耦合”。这又增加了问题的复杂性。在隧道设计中，工程师们常常宁愿从他们所习用的“荷载-结构物”模型出发，采用作用在衬砌上的“水压力”来反映地下水的影响。3.3 “荷载-结构物”模型和衬砌水压力采用“荷载-结构物”模型对地下水作用进行计算的要点是：（1）衬砌单独地承受衬砌范围内的渗透力，由于衬砌厚度相对于隧道埋深和隧道净空量值较小，可将这种渗透力（体积力）简化为作用在衬砌外缘的表面力，称为“衬砌水压力”。围岩和衬砌的共同作用则用弹性地基的约束来反映。（2）在计算水压力对衬砌的作用时，不考虑围岩压力的作用（故又称“分算法”）。在采用复合式衬砌的情况下，二次衬砌是在初期支护（通常是喷混凝土）施作后、围岩基本稳定的情况下施作的。因此，可以认为“衬砌水压力”是模注混凝土的二次衬砌的主要荷载；此外，设置了防水板的岩石隧道或者砂土围岩中的地铁隧道，在衬砌和围岩（或初期支护）界面上不能传递拉应力。即使是不设防水层的普通混凝土衬砌由于回填等施工因素，衬砌和围岩之间的不连续界面实际上也是存在的。因此可以用弹性地基的约束作用来合理地反映围岩的作用。“荷载-结构物”的计算模型把问题归结为“衬砌水压力”的确定。4 衬砌外水压力的修正系数5影响衬砌外水压力不仅是岩石与衬砌的相对渗透性，岩体中初始渗流场，特别是隧道附近的天然排水（如溶洞）或人工排水及防渗措施对外水压力影响不可忽视。衬砌的外水压力取决于隧道围岩的水文地质条件及衬砌本身的渗透性，按上述渗流场增量理论通过分析求得。对于一般性工程或初步设计阶段，也可以用外水压力修正系数法来确定。设地下水位与隧道轴线高差为，当地下水为静止时，隧道轴线处的水压力为。作用于隧道衬砌的实际外水压力并不等于，而要乘以3类修正系数。表4-1 外水压力折减系数4.1 初始渗流场水压力隧道修建前，山体中地下水因流动而形成初始渗流场。任一点的水压力一般不等于该点垂线上由地下水位产生的静水压力，而要乘以修正系数，即： （2）在山体内一般小于1。0，但在山谷下部及承压水地层中大于1。0。4.2 隧道建成后作用于衬砌外水压力隧道开挖过程地下水位下降，衬砌完成后地下水位回升。若衬砌完全不透水，则作用于衬砌的外水压力。当衬砌透水，则根据衬砌与围岩透水相对关系， 要小于，因而有一个修正系数，即： （3）表4-1中的即为。4.3 防渗排水措施对衬砌外水压力的影响当对围岩进行固结灌浆或采用旨在减压的排水措施后，衬砌的外水压力将再予折减，即： （4）式中为考虑工程措施对衬砌外水压力的修正系数，参见文献7。、和同时等于1。0，或等于1。0的概率很小，因而实际上衬砌不可能不折不扣地承受与静水头相应的压力。5 当岩石透水性十分微弱时衬砌的外水压力对于非常坚硬且渗透系数甚小的岩石，从工程观点，可认为岩块是不透水的，地下水仅在裂隙中流动。裂隙中的水虽然以面力作用于裂隙壁面，只要裂隙构成网络，众多裂隙中水的面力在宏观上仍然是体积力。这是一个重要的且十分显然的概念。忽略了这个概念，就可能认为只要与围岩密贴，衬砌的外水压力就可以忽略不计，理由是衬砌与裂隙直接接触的面积甚小。下面以二郎山公路隧道为例，来讨论这一观点。经过严格推导公式及计算，衬砌与表5-1中4组节理接触的面积仅占隧道断面周边长度的5%。实际裂隙张开宽度通常远小于表中数值，衬砌与裂隙实际接触面积与衬砌与围岩的接触面积比常小于1%。但不能由此得出结论，二郎山公路隧洞衬砌的外水压力可以忽略不计。表1 二郎山公路隧道（走向为N75E）围岩中4组节理发育状况6上已说明，裂隙网络内的水压力在宏观上仍是渗流体积力，只要裂隙间距与隧道尺寸相比很小，地下水压力“直接”作用于衬砌的面积仍是100%，因为有些裂隙虽不与衬砌相交，但裂隙内的水压力仍作用在衬砌上。只要有裂隙统计资料，就可以绘制出裂隙网络图。表5-1中没有裂隙几何参数的统计数字，只能按隧道剖面内各组裂隙的视倾角及视间距，假定裂隙延伸长度